特高壓交直流互聯電網典型故障對火力發電廠廠用電系統的影響研究

盧岑岑，吳跨宇，陸海清，卓谷穎，沈軼君

（國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014）

特高壓交直流互聯電網典型故障對火力發電廠廠用電系統的影響研究

盧岑岑，吳跨宇，陸海清，卓谷穎，沈軼君

（國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014）

特高壓交直流互聯電網故障將給火力發電廠廠用電系統帶來較大影響，根據廠用電系統一般帶有電動機負荷的特性，基于PSD-BPA仿真平臺，詳細研究了電動機負荷的參數與建模方法，仿真分析了不同負荷模型下廠用電的電壓特性。以蘭溪發電廠廠用電系統為例，建立廠用電系統仿真模型，選取電網典型交直流故障，仿真分析不同運行方式及故障對廠用電電壓的影響，為廠用電系統建模及仿真分析提供參考。

浙江電網；廠用電系統；電動機負荷；建模；電壓穩定

0 引言

隨著特高壓交直流線路的不斷投運，浙江電網已步入特高壓交直流混聯時代。火力發電是浙江電網主要電源形式，火力發電廠廠用電系統作為發電廠重要組成部分，其可靠性直接關系到機組的安全穩定運行[1-4]。

廠用電系統負荷一般包括一次風機、引風機、送風機、電動給水泵、凝結水泵、循環水泵、給煤機、給粉機、空氣預熱器、增壓風機、冷卻風機等，是典型的電動機負荷。目前，一般性的系統分析多將廠用電負荷等效為靜態負荷，但由于電動機負荷和靜態負荷在不同故障情況下的響應特性并不相同，因此在電網對廠用電系統的影響研究中，需要采用電動機負荷建立詳細的廠用電系統以準確分析各種故障情況對廠用電的影響。

另一方面，隨著電力電子及其數字控制技術的發展，變頻器產品和技術日趨成熟和穩定，在火力發電廠輔機上得到了大量應用。然而電網電壓的波動會影響變頻器的穩定運行，包括由于特高壓交直流線路故障導致功率潮流突變、系統短路故障等引起的電壓跌落等都會導致變頻器自我保護而停機，因此亟需詳細分析這些故障情況對廠用電電壓的影響。

以下根據廠用電負荷多為電動機負荷這一特性，詳細分析其建模方法，采用浙江實際交直流混合電網數據，在PSD-BPA上搭建高、低壓廠用電系統，并仿真分析不同故障情況對廠用電電壓的影響。

1 基于PSD-BPA的廠用電系統建模

1.1 PSD-BPA中的電動機負荷模型

PSD-BPA的負荷模型包括靜態負荷模型、電動機模型和考慮配電網支路的綜合負荷模型。其中電動機負荷的數學模型如式（1）所示：

式中：H表示電機的慣性時間常數；RS，XS，XM，RR，XR分別表示電機的定子電阻、定子電抗、激磁電抗、轉子電阻、轉子電抗；TE表示電機的電磁轉矩；TM表示電機的機械轉矩；A，B，C為機械轉矩對應的比例系數；P，Q分別表示電機的有功和無功功率；V，I分別表示電機的端電壓和電流相量；E′為電機暫態電抗X′后的內電勢；ωR表示轉子角速度；T0和ω0分別為電機初始運行狀態下的轉矩和轉子角速度；ωb表示轉子角速度的基準。

電動機模型可以采用單節點ML卡、分區形式MJ卡、區域形式MK卡及馬達輸出OMI卡模擬。以ML卡為例介紹感應電動機模型，電動機靜態等值電路如圖1所示。

圖1 PSD-BPA中電動機靜態等值電路

其數學模型為忽略內電勢的暫態過程，即為考慮機械暫態過程的電動機模型，此時電動機電磁轉矩表示為。

1.2 不同負荷模型對廠用電電壓的影響

以蘭溪發電廠為例，分別研究發電廠廠用電負荷采用靜態負荷和電動機負荷情況下，發電廠送出線路N-2故障時對各母線電壓的影響，發電機機端電壓、高壓廠變母線電壓和低壓廠變母線電壓等仿真結果見圖2，各母線電壓跌落情況見表1。

圖2 不同負荷模型下送出線路N-2故障對母線電壓的影響

表1 不同負荷模型下送出線路N-2故障母線電壓跌落情況pu

由仿真結果可以看出，當相同功率的廠用電負荷模型由靜態負荷模型改為電動機負荷模型后，會使負荷所在的廠用電母線初始電壓下降。相同故障情況下，采用電動機負荷的廠用電母線電壓跌落得更多，且電壓恢復動態過程更為緩慢。因此有必要建立廠用電模型，深入分析各種系統故障對廠用電電壓的影響。

2 蘭溪發電廠廠用電仿真系統建立

2.1 發電廠接入及其廠用電系統

仿真以蘭溪發電廠廠用電系統為例，模型與實際裝置均保持一致。發電廠共有4臺機組，采用發變組單元接線方式。其中2號機容量為667 MVA，1號、3號、4號機增容為733 MVA。1—3號機通過4回500 kV線路送出，4號機通過4回220 kV線路送出，對應的系統接線如圖3所示。

圖3 蘭溪發電廠接入系統接線

廠用電中重要的輔機如凝結水泵、循環水泵、引風機、一次風機、送風機等均下掛在6 kV母線上，而給煤機則通過鍋爐變掛在380 V鍋爐段上。以2號機為研究對象，廠用電系統接線如圖4所示。

2.2 仿真數據及平臺

以2018年夏季高峰方式華東電網作為研究背景，考慮浙江3條特高壓直流受電，落地功率分別為7 500 MW，7 600 MW和7 300 MW。

圖4 蘭溪發電廠廠用電系統接線形式

直流穩定模型采用PSD-BPA的新型DA模型，發電機勵磁系統及PSS系統采用實測模型，勵磁模型采用FV卡、FM卡、FN卡等，PSS模型采用SI/SI+卡、SH/SH+卡等。除所研究的廠用電負荷外，其他負荷模型均采用ZIP模型，并考慮頻率調節系數。

3 交直流混合電網故障對廠用電影響

3.1 暫態穩定判據及典型故障選取

電網暫態穩定是指電力系統受到大擾動后，各同步發電機保持同步運行并過渡到新的或恢復到原來穩態運行方式的能力，其判據為[5]：電網遭受每一次大擾動后，引起電力系統各機組之間功角相對增大，在經過第1或第2個振蕩周期不失步，作同步的衰減振蕩，系統中樞點電壓逐漸恢復。

考慮選取離所研究發電機組電氣距離較近的交流系統故障及功率大送入的直流系統故障作為主要研究的故障類型，除此之外，在發電廠內部考慮不同開機運行方式下對廠用電電壓的影響。

3.2 交流系統故障對廠用電的影響

分別模擬電網交流系統故障，研究對廠用電系統的影響，交流系統故障類型有：

（1）機端三相短路故障：0.5 s機端三相接地短路，0.89 s故障消失（故障持續0.39 s，以保持機組穩定為原則）。

（2）線路N-2故障：0.5 s單回線路三相永久性短路，故障持續0.21 s后，雙回線路兩端同時斷開。

仿真分析2號機機端三相接地故障，發電機機端電壓、高廠變母線電壓和低廠變母線電壓等仿真結果如圖5所示。

圖5 機端三相接地故障

保持系統穩定的情況下，仿真機組500 kV送出線路N-2故障，發電機機端電壓、高廠變母線電壓和低廠變母線電壓等仿真結果如圖6所示。

圖6 機組500 kV出線N-2故障（故障持續0.21 s）

仿真分析了2種典型交流系統故障情況下的廠用電電壓特性，分析得到了交直流系統不同故障對電壓的影響，如表2所示。

表2 不同交流故障對各廠用電母線電壓的影響

由表2可以看到，由于機端短路及送出線路N-2故障點離發電廠近，因此故障后對廠用電的影響較大。

機端短路時其高壓廠用母線、低壓廠用母線電壓跌落嚴重，最低可跌落到額定電壓的1.8%（6 kV A段）、1.2%（6 kV B段）、1.7%（380 V A段）、1.2%（380 V B段）。其中，低于20%Un（額定電壓）持續時間為0.38 s；低于60%Un持續時間分別為0.90 s，0.88 s，0.94 s，0.89 s；低于90%Un持續時間分別為1.87 s，1.67 s，1.86 s，1.76 s。

送出線路N-2故障時，機端電壓、高壓廠用母線、低壓廠用母線電壓全部在60%額定電壓以下，最低可跌落到45.3%（機端電壓）、39.0%（6 kV A段）、41.2%（6 kV B段）、35.5%（380 V A段）、38.6%（380 V B段）。其中，低于60%Un持續時間為0.2 s；低于90%Un持續時間分別為0.49 s，0.61 s，0.57 s，0.70 s和0.65 s。

3.3 直流系統故障對廠用電的影響

分別模擬電網直流系統故障，研究其對廠用電系統的影響。直流系統故障類型有：

（1）單極閉鎖故障：0.5 s直流單極閉鎖，同時啟動正常極1.2倍過負荷，3.5 s后啟動正常極1.05倍過負荷，4.1 s后切除第一組濾波器，之后每10 s切除一組濾波器，直至濾波器全部切除。

（2）雙極閉鎖故障：0.5 s直流雙極閉鎖，0.7 s切除所有濾波器。

分別仿真分析浙江落地的3條直流單極閉鎖故障對發電機機端電壓、高廠變母線電壓和低廠變母線電壓的影響，仿真結果如圖7所示。

圖7 直流系統單極閉鎖故障對廠用電母線電壓的影響

分別仿真分析上述3條直流雙極閉鎖故障對發電機機端電壓、高廠變母線電壓和低廠變母線電壓的影響，仿真結果如圖8所示。

圖8 直流系統雙極閉鎖故障對廠用電母線電壓的影響

仿真分析了4種典型直流系統故障情況下的廠用電電壓特性，得到交直流系統不同故障對電壓的影響，如表3所示。

表3 直流故障對2號機廠用電母線電壓的影響

由仿真結果可以看到，雖然3條直流的送電功率很大，但由于故障點離2號機電氣距離遠，因此直流單/雙極閉鎖時對廠內廠用電母線電壓的影響不大。

圖9 不同開機方式下電廠送出線路N-2故障（故障持續0.21 s）對廠用電的影響

3.4 不同開機方式對廠用電的影響

針對發電廠只開1臺機和開2臺機的不同開機方式，分別研究每臺機的不同負荷類型對廠用電母線電壓的影響，機端電壓、高廠變母線電壓和低廠變母線電壓等仿真結果如圖9所示。

由仿真結果可以看到，在相同故障情況下，開機方式的改變對2號廠用電最低跌落深度影響不大，但會對電壓恢復過程產生明顯影響。增加開機會使得電壓恢復過程變慢，且使得最高電壓大幅度上升。由于廠用電負荷較小，鄰近機組是否采用電動機負荷模型，對本機組的電壓影響并不明顯。

4 結語

以實際發電廠為研究對象，研究了PSD-BPA軟件電動機負荷模型的建模方法，建立實際6 kV高壓廠用電及380 V低壓廠用電系統仿真模型，在此基礎上仿真了不同交直流故障及不同開機方式下的廠用電電壓特性，分析得到了電網交直流系統不同類型故障對廠用電電壓的影響，獲取電網故障和異常運行過程中主力發電廠廠用電系統的影響范圍、程度和特點，為實際廠用電建模及仿真分析提供了參考。

[1]張兵海，劉繼安．火力發電廠低壓廠用電系統保護定值配合配合問題的探討[J]．繼電器，2006，34（6）:67-70．

[2]彭峻．提高發電廠廠用電系統可靠性的措施分析[J]．浙江電力，2013，32（8）:61-63．

[3]賀永剛，王利波．火電機組廠用電保護整定計算問題探討[J]．浙江電力，2013，32（2）:62-76．

[4]鄔金海．發電廠廠用電系統可靠性分析及改進[J]．浙江電力，2012，31（12）:70-72．

[5]DL/T 755-2001電力系統安全穩定導則[S]．北京：中國電力出版社，2001.

（本文編輯：楊勇）

Impact of Typical Faults in UHV AC/DC Interconnected Power Grid on Auxiliary Power System for Thermal Power Plants

LU Cencen，WU Kuayu，LU Haiqing，ZHUO Guying，SHEN Yijun
（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

Faults in UHV AC/DC interconnected power grid have great impact on auxiliary power system for thermal power plants.According to the general characteristics of auxiliary power system with motor load，the parameters of the motor load and its modeling method are studied based on PSD-BPA，and voltage characteristic of auxiliary power with different types of load models is analyzed.This paper takes auxiliary power system of Lanxi Power Plant as an example to build a simulation model of auxiliary power system；it selects typical AC/DC faults in power grid to simulate and analyze the impact of various operation modes and faults on auxiliary voltage,providing reference to modeling and simulation analysis of auxiliary power system.

Zhejiang power grid；auxiliary power system；motor load；modeling；voltage stability

TM621

：B

：1007-1881（2016）03-0028-06

2015-11-30

盧岑岑（1986），女，碩士，工程師，從事發電機勵磁及電力系統分析工作。